Новый протокол идентифицирует квантовые состояния

Топологические материалы вызывают большой интерес ученых и могут стать основой для новой эры в разработке материалов. Теперь физики представили новый метод измерения для идентификации и характеристики так называемых топологических инвариантов на различных экспериментальных платформах.

Сегодня современные квантовые симуляторы предлагают широкий спектр возможностей для подготовки и исследования сложных квантовых состояний. Они реализованы с ультрахолодными атомами в оптических решетках, ридберговскими атомами, захваченными ионами или сверхпроводящими квантовыми битами.

Особенно захватывающим классом квантовых состояний являются топологические состояния материи. Дэвид Тоулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году за их теоретическое открытие. Эти состояния вещества характеризуются нелокальными квантовыми корреляциями и особенно устойчивы к локальным искажениям, которые неизбежно возникают в экспериментах.

«Выявление и характеристика таких топологических фаз в экспериментах — это большая проблема. Топологические фазы не могут быть идентифицированы локальными измерениями из-за их особых свойств. Поэтому мы разрабатываем новые протоколы измерений, которые позволят физикам-экспериментаторам охарактеризовать эти состояния в лаборатории» — говорят ученые из Центра квантовой физики при Университете Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии.

В последние годы это уже было достигнуто для невзаимодействующих систем. Однако для взаимодействующих систем, которые в будущем могли бы также использоваться в качестве топологических квантовых компьютеров, это пока невозможно.

Теперь физики предлагают протоколы измерений, которые позволяют измерять так называемые топологические инварианты. Эти математические выражения описывают общие свойства топологических пространств и позволяют полностью идентифицировать взаимодействующие топологические состояния с глобальной симметрией в одномерных, бозонных системах.

«Идея нашего метода заключается в том, чтобы сначала подготовить такое топологическое состояние в квантовом симуляторе. Теперь выполняются так называемые случайные измерения, а топологические инварианты извлекаются из статистических корреляций этих случайных измерений», — объясняют они.

Особенностью этого метода является то, что, хотя топологические инварианты являются очень сложными, нелокальными корреляционными функциями, их все же можно извлечь из статистических корреляций простых локальных случайных измерений.

Как и в методе, недавно представленном исследовательской группой для сравнения квантовых состояний в компьютерах или симуляторах, такие случайные измерения возможны в современных экспериментах.

«Поэтому наши протоколы для измерения топологических инвариантов могут быть непосредственно применены в существующих экспериментальных платформах», — говорят исследователи.

«Many-body topological invariants from randomized measurements in synthetic quantum matter» Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aaz3666,